淬火熱處理對含鋁高硼鋼顯微組織和性能的影響

尹恩生

（新疆八鋼佳域工業(yè)材料有限公司）

0 前言

近年來，耐磨材料科學(xué)蓬勃發(fā)展，種類日益增多，同時質(zhì)量也在不斷地提高。在碳鋼中加入適量硼而發(fā)展起來的高硼鑄鋼，與耐磨白口鑄鐵和普通耐磨鑄鋼相比，具有更好的強(qiáng)韌性和更優(yōu)異的耐磨性，且已在冶金、礦山等行業(yè)成功應(yīng)用。而高錳鋼的耐磨性是有條件的，只有當(dāng)使用時在外來的沖擊或應(yīng)力作用下迅速產(chǎn)生加工硬化，形成硬而耐磨的表面層，才能顯示出優(yōu)良的耐磨性[1,2]，而且其屈服強(qiáng)度低、易于變形。普通高硼鑄鋼中，硼化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，即使采用高溫?zé)崽幚恚鸹镞B續(xù)分布特征依然明顯[3]。硼化物的連續(xù)分布增大了高硼鑄鋼的脆性，使其在重載、高沖擊工況下使用的安全性降低，使用范圍受限。近年來，師文校[4～6]等人研究了熱處理對高硼低碳鑄鋼顯微組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，高硼鋼的硬度變化不大，在900℃～1050℃淬火，具有優(yōu)良的耐磨性。通過在高硼鋼中加入鋁元素來改變硼化物的形態(tài)，研究探索淬火加熱溫度對含鋁高硼鑄鋼組織和性能的影響規(guī)律，為這一新材料的研究和使用中熱處理工藝的制訂提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用10kg中頻感應(yīng)電爐熔煉材料，材料的化學(xué)成分如表1所示。用線切割機(jī)加工試樣，其尺寸為：φ20 mm ×10mm。試樣在高溫箱式電阻爐內(nèi)隨爐進(jìn)行熱處理，淬火加熱溫度分別為950℃、1000℃、1050℃和1100℃，保溫時間1h，而后水淬冷卻。

表1 含鋁高硼鑄鋼的主要化學(xué)成分 wt%

含鋁高硼鋼的硬度用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測量，試驗(yàn)負(fù)荷為150kg，硬度值取7個點(diǎn)的平均值。用HXD-1000型顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測試，試驗(yàn)載荷100g，加載保持時間15秒。用OLYMPUS BX51金相顯微鏡和S-3400N掃描電鏡進(jìn)行組織的觀察與分析。采用日本島津XRD-7000型X射線衍射儀對含鋁高硼鋼中的物相進(jìn)行定性分析，具體參數(shù)：采用Cu-Kα輻射，管流管壓為3 0 m A 和4 0 k V，掃描速度為2o/min，20o～80°耦合連續(xù)掃描，步進(jìn)0.02o。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含鋁高硼鋼凝固組織研究

圖1為鑄態(tài)含鋁高硼鋼的凝固組織，圖2為其X射線衍射譜。從圖1中可見，鑄態(tài)含鋁高硼鋼中有較多的網(wǎng)狀組織和大量的塊狀組織，X射線衍射譜表明網(wǎng)狀組織為Fe2B，而塊狀組織為Fe。另外，基體組織主要由鐵素體、珠光體和少量馬氏體組成。此組織是由初生奧氏體和共晶奧氏體在凝固冷卻過程中轉(zhuǎn)變而成。

圖1 鑄態(tài)含鋁高硼鋼的金相(a)和掃描(b)組織

圖2 鑄態(tài)含鋁高硼鋼的XRD譜線

2.2 淬火加熱溫度對含鋁高硼鋼顯微組織的影響

不同加熱溫度下，含鋁高硼鋼的水冷淬火顯微組織如圖3所示。可以看出，高溫?zé)崽幚砗笈鸹镄螒B(tài)均有一定程度的改善。加熱溫度較低時，硼化物變化較小，網(wǎng)狀分布趨勢很明顯（如圖3a）。隨著加熱溫度升高，硼化物斷網(wǎng)和團(tuán)聚化趨勢明顯加快。溫度大于等于1000℃奧氏體完全消失，硼化物出現(xiàn)局部斷網(wǎng)，其有利于改善含鋁高硼鋼的強(qiáng)韌性。由于高硼鑄鋼的碳含量較低，經(jīng)高溫淬火后，基體組織變?yōu)閺?qiáng)韌性較好的板條狀馬氏體。圖4的XRD分析表明，經(jīng)高溫淬火后，硼化物仍是Fe2B，且在高溫加熱時其局部溶于基體，從而使硼化物出現(xiàn)局部斷網(wǎng)現(xiàn)象，有利于改善高硼鋼的強(qiáng)韌性。

圖3 含鋁高硼鋼在950℃(a)、1000℃(b)、1050℃(c)和1100℃(d)淬火后的顯微組織

圖4 含鋁高硼鋼1000℃淬火后的XRD譜線

2.3 淬火加熱溫度對含鋁高硼鑄鋼性能的影響

淬火加熱溫度對含鋁高硼鋼硬度的影響見圖5?？梢钥闯?，隨著淬火加熱溫度的升高，含鋁高硼鋼的宏觀硬度和基體顯微硬度具有相同的變化趨勢。宏觀硬度為61～63HRC，基體顯微硬度為820～885HV。在900～1000℃淬火，隨著淬火加熱溫度的升高，硬度呈升高趨勢，當(dāng)溫度升高到1050℃時，硬度較1000℃時有所下降，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1100℃時，硬度又呈現(xiàn)出升高趨勢，但變化不大，且在1000℃硬度達(dá)到最高。

圖 5 淬火加熱溫度對含鋁高硼鋼硬度的影響

綜上所述，隨著溫度的升高，含鋁高硼鋼的硬度變化不大。高硼鋼在950～1100℃淬火，都可獲得單一的板條狀馬氏體基體組織，且硼化物穩(wěn)定性好，淬火加熱溫度的變化對硼化物數(shù)量的影響不明顯，因此硬度變化不大。含鋁高硼鑄鋼經(jīng)高溫奧氏體化后快速冷卻，抑制了硼原子的遠(yuǎn)程擴(kuò)散，使硼原子不發(fā)生明顯的晶界和晶內(nèi)偏聚，更難于形成硼相。硼以固溶的形式保留在基體中，形成過飽和的固溶體。不論硼原子以何種方式固溶在基體中，都將引起較大的晶格畸變，使基體硬度提高，導(dǎo)致高硼鑄鋼的基體顯微硬度和宏觀硬度提高。淬火加熱溫度超過1050℃時，高溫奧氏體中溶解的硼、碳、錳量增加，高溫奧氏體穩(wěn)定性增加，淬火組織中出現(xiàn)了低硬度的殘留奧氏體，導(dǎo)致合金硬度略有下降[7]。

2.4 含鋁高硼鋼錘頭的制備和應(yīng)用

在上述基礎(chǔ)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，使用500kg堿性中頻感應(yīng)電爐熔煉含鋁高硼鋼材料，采用真空消失模鑄造方法制備含鋁高硼鋼錘頭，鋼水澆注溫度1510-1530℃。錘頭經(jīng)清砂、打磨后，隨爐加熱至1000℃，保溫4小時后，出爐風(fēng)冷至室溫，隨后加熱至230℃，保溫16小時，隨后爐冷至溫度低于120℃后，出爐空冷至室溫。采用便攜式肖氏硬度機(jī)測量錘頭表面硬度為60.5～62.3 HRC。某鐵礦原Cr15Mo3高鉻鑄鐵錘頭的使用壽命為120小時，用含鋁高硼鋼錘頭后,使用壽命提高至160小時，含鋁高硼鋼錘頭使用壽命比Cr15Mo3高鉻鑄鐵錘頭提高30%以上，生產(chǎn)成本降低40%以上，推廣應(yīng)用具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 結(jié)論

（1）含0.35%C、1.5%B和1.0%Al的高硼鑄鋼的顯微組織由Fe2B硼化物、鐵素體、珠光體和馬氏體組成。

（2）含鋁高硼鋼經(jīng)高加熱溫度淬火，可以明顯改善硼化物的形態(tài)及其分布，顯著提高它的綜合性能。在950～1100℃水淬，含鋁高硼鋼局部出現(xiàn)斷網(wǎng)現(xiàn)象，隨著淬火加熱溫度的增加，斷網(wǎng)現(xiàn)象明顯加快。

（3）不同的淬火加熱溫度對含鋁高硼鋼的整體硬度影響比較小，但材料的整體硬度較高，達(dá)到61～63HRC。該材料在1000℃進(jìn)行熱處理，硬度達(dá)到最大，且硼化物細(xì)小、呈孤立狀均勻分布，有望獲得良好的綜合性能。

（4）采用含鋁高硼鋼制造的破碎機(jī)錘頭，使用壽命比Cr15Mo3高鉻鑄鐵錘頭提高30%以上，生產(chǎn)成本降低40%以上，具有較好的推廣應(yīng)用價值。